JP2014530369A

JP2014530369A - Molecular detection device

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Publication number: JP2014530369A
Application number: JP2014537035A
Authority: JP
Inventors: リー・ジヨン; キム・アンソーン
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2014-11-17
Anticipated expiration: 2031-10-18
Also published as: EP2769214B1; JP6022585B2; CN103930780B; EP2769214A4; US20140198314A1; EP2769214A1; CN103930780A; WO2013058739A1; TW201319566A

Abstract

分子検知デバイスが、基板と、ｉ）この基板の表面上に配置された材料に形成されるか、又はｉｉ）この基板の表面に形成されるウェルと、このウェル内に配置された信号増幅構造体と、このウェル内に堆積されて信号増幅構造体を取り囲む浸漬流体とを備える。【選択図】図１ＡA molecular sensing device is formed on the substrate and i) a material disposed on the surface of the substrate or ii) a well formed on the surface of the substrate and a signal amplification structure disposed in the well A body and an immersion fluid deposited in the well and surrounding the signal amplification structure. [Selection] Figure 1A

Description

本開示は、包括的には、分子検知デバイスに関する。 The present disclosure relates generally to molecular sensing devices.

アッセイ検知システム及び他の検知システムが、化学分野、生化学分野、医療分野、及び環境分野において１つ又は複数の化学物質の存在及び／又は濃度を検出するのに用いられてきた。検知技法の中には、物質の検出及び測定に色又はコントラストを利用するものがあり、例えば、反射率、透過率、蛍光、又は燐光に基づく技法がある。ラマン分光法又は表面増強ラマン分光法（ＳＥＲＳ：surface enhanced Raman spectroscopy）等の他の検知技法は、システムにおける振動モード、回転モード、及び他の低周波数モードを研究している。特に、ラマン分光法は、光子が分子と相互作用し、その結果、散乱光子のエネルギーがシフトしたときの分子エネルギー状態間の遷移を研究するのに用いられる。分子のこのラマン散乱は、２つのプロセスとして見ることができる。或る特定のエネルギー状態にある分子は、まず、通常は光周波数領域にある入射光子によって別の（仮想又は実際のいずれかの）エネルギー状態に励起される。次に、この励起された分子は、当該分子が、励起光子と比較して相対的に低くあり得る周波数（すなわち、ストークス散乱）又は相対的に高くあり得る周波数（すなわち、アンチストークス散乱）にある環境の影響を受けた双極子源として放射する。種々の分子又は物質のラマンスペクトルは、化学種（species）を識別するのに用いることができる特徴的なピークを有する。 Assay detection systems and other detection systems have been used to detect the presence and / or concentration of one or more chemicals in the chemical, biochemical, medical, and environmental fields. Some sensing techniques utilize color or contrast for the detection and measurement of materials, for example, techniques based on reflectance, transmittance, fluorescence, or phosphorescence. Other detection techniques such as Raman spectroscopy or surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) are investigating vibrational modes, rotational modes, and other low frequency modes in the system. In particular, Raman spectroscopy is used to study transitions between molecular energy states when photons interact with molecules and consequently the energy of scattered photons shifts. This Raman scattering of molecules can be viewed as two processes. Molecules in one particular energy state are first excited to another (either virtual or actual) energy state by incident photons, usually in the optical frequency domain. The excited molecule is then at a frequency where the molecule can be relatively low (ie, Stokes scattering) or relatively high (ie anti-Stokes scattering) compared to the excitation photons. Radiates as a dipole source affected by the environment. The Raman spectra of various molecules or substances have characteristic peaks that can be used to identify species.

本開示の例の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面を参照することによって明らかになる。図面において、同様の参照符号は、場合によっては同一ではないが類似した構成要素に対応する。簡潔にするために、前に説明した機能を有する参照符号又は特徴は、これらが登場する他の図面に関して説明される場合もあるし、説明されない場合もある。 The features and advantages of the examples of the present disclosure will become apparent upon reference to the following detailed description and drawings. In the drawings, like reference characters sometimes correspond to similar, but not identical, elements. For the sake of brevity, reference numerals or features having the functions previously described may or may not be described with respect to other figures in which they appear.

分子検知デバイスの２つの例の一方の斜視図である。It is one perspective view of two examples of a molecular detection device. 分子検知デバイスの２つの例の他方の斜視図である。It is the other perspective view of two examples of a molecular detection device. 分子検知デバイスの一例を形成する方法の一例を示す概略流れ図の一部である。2 is a portion of a schematic flow diagram illustrating an example of a method of forming an example of a molecular sensing device. 異なるウェル構成及び異なる浸漬流体構成を有する分子検知デバイスの例の上面図である（カバー及び信号増幅構造体は示されていないことに留意されたい）。FIG. 6 is a top view of an example of a molecular sensing device having different well configurations and different immersion fluid configurations (note that the cover and signal amplification structure are not shown). 異なるウェル構成及び異なる浸漬流体構成を有する分子検知デバイスの例の上面図である（カバー及び信号増幅構造体は示されていないことに留意されたい）。FIG. 6 is a top view of an example of a molecular sensing device having different well configurations and different immersion fluid configurations (note that the cover and signal amplification structure are not shown). 異なるウェル構成及び異なる浸漬流体構成を有する分子検知デバイスの例の上面図である（カバー及び信号増幅構造体は示されていないことに留意されたい）。FIG. 6 is a top view of an example of a molecular sensing device having different well configurations and different immersion fluid configurations (note that the cover and signal amplification structure are not shown). 分子検知デバイスの別の例の斜視図である。It is a perspective view of another example of a molecular detection device. 分子検知デバイスの一例を備える表面増強ラマン分光システムの一例の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of an example of a surface enhancement Raman spectroscopy system provided with an example of a molecular detection device.

本明細書において開示される分子検知デバイスの例は、信号増幅構造体（複数の場合もある）を周囲環境に暴露することなく輸送及び／又は格納することを可能にする。本明細書において開示される分子検知デバイス（複数の場合もある）は、少なくとも信号増幅構造体（複数の場合もある）を取り囲む浸漬流体と、この浸漬流体をデバイス内に密封する取り外し可能なカバーとを備える。「浸漬流体」は、本明細書において用いられるとき、液体又は不活性ガスであり得る。密封された浸漬流体は、信号増幅構造体（複数の場合もある）が周囲環境から望ましくない化学種を時期尚早に吸収することを防止する。場合によっては、密封された浸漬流体は、信号増幅構造体（複数の場合もある）が望ましくない方法で時期尚早に作用することも防止する。一例として、浸漬流体は、検知解析を行う前に、指状ＳＥＲＳナノ構造体が１つ又は複数の隣接する指状ＳＥＲＳナノ構造体と関連して又はこれらの隣接する指状ＳＥＲＳナノ構造体の方向に不可逆的に移動することを防止し得る。浸漬流体は、デバイスが放置されている間、信号増幅構造体の安定性も提供する。 The example molecular sensing device disclosed herein allows the signal amplification structure (s) to be transported and / or stored without exposure to the surrounding environment. The molecular sensing device (s) disclosed herein includes at least an immersion fluid that surrounds the signal amplification structure (s) and a removable cover that seals the immersion fluid within the device. With. An “immersion fluid” as used herein can be a liquid or an inert gas. The sealed immersion fluid prevents the signal amplification structure (s) from prematurely absorbing unwanted chemical species from the surrounding environment. In some cases, the sealed immersion fluid also prevents the signal amplification structure (s) from acting prematurely in an undesirable manner. As an example, the immersion fluid may be associated with or associated with one or more adjacent finger-like SERS nanostructures before the sensing analysis is performed. It is possible to prevent irreversible movement in the direction. The immersion fluid also provides the stability of the signal amplification structure while the device is left standing.

次に、図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、分子検知デバイスの２つの例１０及び１０’が示されている。分子検知デバイス１０、１０’のそれぞれは、基板１２を備える。図１Ａに示す分子検知デバイス１０は、基板１２の表面Ｓ₁₂に形成されたウェル１４を備える一方、図１Ｂに示す分子検知デバイス１０’は、基板１２の表面Ｓ₁₂上に配置された材料１６からなる表面Ｓ₁₆に形成されたウェル１４’を備える。双方の例のウェル１４、１４’は、以下で更に論述することにする。 Referring now to FIGS. 1A and 1B, two examples 10 and 10 ′ of molecular sensing devices are shown. Each of the molecular detection devices 10, 10 ′ includes a substrate 12. The molecular sensing device 10 shown in FIG. 1A includes a well 14 formed on the surface S _{12 of the} substrate 12, while the molecular sensing device 10 ′ shown in FIG. 1B has a material 16 disposed on the surface S _{12 of the} substrate 12. It comprises a well 14 'formed on the surface S ₁₆ composed of. Both example wells 14, 14 ′ will be discussed further below.

図１Ａに示す例又は図１Ｂに示す例のいずれかにおける基板１２は、検知システム（例えば、図５に示すシステム１００）において用いられるときに、分子検知デバイス１０、１０’の位置に応じて透明の場合もあるし、反射性の場合もある。例えば、センサーが、ウェル１４又は１４’が形成されている表面Ｓ₁₂又はＳ₁₆の向かいに配置されている場合、基板１２は、反射性及び／又は非反射性の材料から選択され得る。この例における好適な基板の例には、ゲルマニウム、シリコン、又は、例えば、ガラス、石英、窒化物、アルミナ、サファイア、インジウムスズ酸化物、透明ポリマー（例えば、ポリカーボネート、ポリイミド、アクリル樹脂等）、それらを組み合わせたもの、及び／又はそれらの層等の透明の基板が含まれる。一例では、透明の基板は、基板１２の裏面ＢＳ₁₂上に反射鏡を備える。一方、センサーが裏面ＢＳ₁₂（すなわち、ウェル１４又は１４’が形成されている表面Ｓ₁₂又はＳ₁₆に対向した表面）の向かいに配置されている場合、基板１２は、生成された任意の信号（例えば、散乱光）が基板１２を通ってセンサーに透過され得るように透明の材料から選択される。好適な透明の基板の例には、ガラス、石英、窒化物、アルミナ、サファイア、インジウムスズ酸化物、透明ポリマー（例えば、ポリカーボネート、ポリイミド、アクリル樹脂等）、若しくはこれらを組み合わせたもの、又はこれらの層が含まれる。ウェル１４が基板１２内に形成される場合は、基板１２も、当該基板にウェル１４を（例えば、エッチング、インプリンティング、又は別の好適な技法を介して）形成することができる材料から選択され得ることが理解されるべきである。 The substrate 12 in either the example shown in FIG. 1A or the example shown in FIG. 1B is transparent depending on the position of the molecular sensing device 10, 10 ′ when used in a sensing system (eg, the system 100 shown in FIG. 5). In some cases, it may be reflective. For example, sensors, if they are located opposite the surface S ₁₂ or S _16-well 14 or 14 'is formed, the substrate 12 may be selected from reflective and / or non-reflective material. Examples of suitable substrates in this example include germanium, silicon, or, for example, glass, quartz, nitride, alumina, sapphire, indium tin oxide, transparent polymers (eg, polycarbonate, polyimide, acrylic resin, etc.), etc. And / or transparent substrates such as layers thereof. In one example, the transparent substrate includes a reflecting mirror on the back surface BS _{12 of the} substrate 12. On the other hand, if the sensor is placed across the back surface BS ₁₂ (ie, the surface opposite the surface S ₁₂ or S ₁₆ on which the well 14 or 14 ′ is formed), the substrate 12 will generate any signal generated. It is selected from transparent materials so that (eg, scattered light) can be transmitted through the substrate 12 to the sensor. Examples of suitable transparent substrates include glass, quartz, nitride, alumina, sapphire, indium tin oxide, transparent polymers (eg, polycarbonate, polyimide, acrylic resin, etc.), or combinations thereof, or these Layers included. If the well 14 is formed in the substrate 12, the substrate 12 is also selected from materials that can form the well 14 in the substrate (eg, via etching, imprinting, or another suitable technique). It should be understood that you get.

基板１２は、任意の望ましい寸法を有し得る。図１Ａに示す例では、基板１２は、当該基板に単一のウェル１４を製造するように十分に小さくされる場合もあるし、当該基板に複数のウェル１４を製造するように十分大きくされる場合もある。図１Ａに示す基板１２の厚さは、当該基板に形成されたウェル１４が約１μｍの深さを有するように１μｍ厚よりも大きくあり得る。図１Ｂに示す例では、基板１２は、当該基板上に配置された材料１６に単一のウェル１４’を製造するように十分小さくされる場合もあるし、当該基板上に配置された材料１６に複数のウェル１４’を製造するように十分大きくされる場合もある。図１Ｂに示す基板１２は、当該基板上に配置された材料１６に支持を提供する任意の望ましい厚さを有し得る。 The substrate 12 can have any desired dimensions. In the example shown in FIG. 1A, the substrate 12 may be small enough to produce a single well 14 on the substrate, or large enough to produce a plurality of wells 14 on the substrate. In some cases. The thickness of the substrate 12 shown in FIG. 1A can be greater than 1 μm thick so that the wells 14 formed in the substrate have a depth of about 1 μm. In the example shown in FIG. 1B, the substrate 12 may be made small enough to produce a single well 14 'in the material 16 disposed on the substrate, or the material 16 disposed on the substrate. In some cases, it is made large enough to produce a plurality of wells 14 '. The substrate 12 shown in FIG. 1B may have any desired thickness that provides support for the material 16 disposed on the substrate.

図１Ｂに示す例では、材料１６は、基板１２上において、少なくとも当該基板に形成されるウェル１４’にとって望ましい厚さに堆積される（場合によっては硬化される）。例えば、材料１６の厚さは、当該材料に形成されるウェル１４’が約１μｍの深さを有するように１μｍ厚よりも大きくあり得る。一例では、材料１６は、当該材料に（例えば、エッチング、インプリンティング、又は別の好適な技法を介して）ウェル１４’を形成することができる任意の透明材料であり得る。透明材料１６は、基板１２が透明であるときに望ましい場合がある。好適な透明材料の例には、ガラス、石英、窒化物、アルミナ、シリカ、サファイア、透明ポリマー、又はそれらを組み合わせたものが含まれる。基板１２が透明でない場合、材料１６は、透明材料の場合もあるし、透明材料でない場合もある。他の好適な材料１６の例には、シリコン、ゲルマニウム、チタン、これらの材料の酸化物（例えば、シリコン酸化物）、又は窒化物が含まれる。ウェル１４’が、インプリンティング技法（図２Ａ〜図２Ｆを参照して更に説明する）によって材料１６に形成されるとき、材料１６は、紫外線硬化性レジスト又は熱硬化性レジストであり得る。幾つかの好適なレジストは、ニュージャージー州モンマスジャクションのナノネックス社（Nanonex Corp.）（例えば、ＮＸＲ−２０００シリーズ及びＮＸＲ−１０００シリーズ）、及びカリフォルニア州サンマルコスのナノリソソリューション社（NanoLithoSolution, Inc.）（例えば、ＡＲ−ＵＶ−０１）から市販されている。 In the example shown in FIG. 1B, material 16 is deposited on substrate 12 to a thickness that is desirable for at least well 14 'formed in the substrate (and possibly cured). For example, the thickness of the material 16 can be greater than 1 μm thick so that the well 14 ′ formed in the material has a depth of about 1 μm. In one example, material 16 can be any transparent material capable of forming well 14 'in the material (eg, via etching, imprinting, or another suitable technique). The transparent material 16 may be desirable when the substrate 12 is transparent. Examples of suitable transparent materials include glass, quartz, nitride, alumina, silica, sapphire, transparent polymers, or combinations thereof. If the substrate 12 is not transparent, the material 16 may be a transparent material or not a transparent material. Examples of other suitable materials 16 include silicon, germanium, titanium, oxides of these materials (eg, silicon oxide), or nitrides. When the well 14 'is formed in the material 16 by imprinting techniques (described further with reference to FIGS. 2A-2F), the material 16 may be an ultraviolet curable resist or a thermosetting resist. Some suitable resists are Nanonex Corp. (eg, NXR-2000 series and NXR-1000 series) in Monmouth Junction, New Jersey, and NanoLithoSolution, Inc., San Marcos, California. .) (For example, AR-UV-01).

上述したように、分子検知デバイス１０及び１０’は、それぞれ、基板１２の表面Ｓ₁₂に形成されたウェル１４又は材料１６の表面Ｓ₁₆に形成されたウェル１４’を備える。図１Ａに示す例では、ウェル１４は、基板１２の表面Ｓ₁₂から基板１２内に、基板１２の厚さよりも小さな望ましい深さまで延在する陥凹部である。図１Ｂに示す例では、ウェル１４’は、材料１６の表面Ｓ₁₆から材料１６内に、材料１６の厚さ以下の望ましい深さまで延在する陥凹部である。したがって、一例では、ウェル１４は、基板表面Ｓ₁₂が暴露されるように材料１６の全厚さにわたって延在し、別の例では、ウェル１４’は、基板表面Ｓ₁₂が暴露されないように材料１６の全厚さよりも小さく延在する。 As described above, each of the molecular detection devices 10 and 10 ′ includes a well 14 formed on the surface S _{12 of the} substrate 12 or a well 14 ′ formed on the surface S _{16 of the} material 16. In the example shown in FIG. 1A, the well 14 is a recess that extends from the surface S ₁₂ of the substrate 12 into the substrate 12 to a desired depth that is less than the thickness of the substrate 12. In the example shown in FIG. 1B, the well 14 ′ is a recess that extends from the surface S ₁₆ of the material 16 into the material 16 to a desired depth that is less than or equal to the thickness of the material 16. Thus, in one example, the well 14 may extend over the entire thickness of the material 16 so that the substrate surface S ₁₂ is exposed, in another example, the well 14 ', the material as the substrate surface S ₁₂ is not exposed It extends less than the total thickness of 16.

ウェル１４、１４’は、（例えば、ウェル１４、１４’が上面図から現われているように）任意の望ましい形状を有するように形成され得、任意の望ましい寸法（例えば、長さ、幅、直径等）を有し得る。これらの寸法のそれぞれは、ウェル１４、１４’に形成される信号増幅構造体１８のタイプ及び数、形成されるウェル１４、１４’の数、基板１２のサイズ、並びに場合によっては材料１６のサイズに少なくとも部分的に依存する。例示の上面図における形状には、正方形、長方形（図３Ａ参照）、円形（図３Ｂ参照）、三角形（図３Ｃ参照）、楕円形、長円形等が含まれる。図１Ａ及び図１Ｂに示す例は、ウェル１４、１４’の深さ全体にわたって続く正方形状を有する。代替的に、ウェル１４、１４’の壁は、ウェル１４、１４’の寸法が表面Ｓ₁₂又はＳ₁₆に向かって増加するようにテーパリングされ得る（図２Ｆ参照）。ウェル１４、１４’を形成するための技法は、以下でより詳細に論述する。 The wells 14, 14 'can be formed to have any desired shape (eg, as the wells 14, 14' appear from the top view) and can have any desired dimensions (eg, length, width, diameter). Etc.). Each of these dimensions is the type and number of signal amplification structures 18 formed in the wells 14, 14 ′, the number of wells 14, 14 ′ formed, the size of the substrate 12, and possibly the size of the material 16. Depending at least in part. Examples of shapes in the top view include a square, a rectangle (see FIG. 3A), a circle (see FIG. 3B), a triangle (see FIG. 3C), an ellipse, an oval, and the like. The example shown in FIGS. 1A and 1B has a square shape that continues through the entire depth of the well 14, 14 ′. Alternatively, the walls of the wells 14, 14 ′ can be tapered so that the dimensions of the wells 14, 14 ′ increase towards the surface S ₁₂ or S ₁₆ (see FIG. 2F). Techniques for forming wells 14, 14 'are discussed in more detail below.

図１Ａ及び図１Ｂのそれぞれには１つのウェル１４、１４’が示されているが、任意の数のウェル１４、１４’が単一の基板１２又は単一の材料１６に形成され得ることが理解されるべきである。用いられる基板１２のサイズによって規定される場合を除いて、形成され得るウェル１４、１４’の数に関して制限はない。複数のウェル１４、１４’が形成される場合、ウェル１４、１４’が互いに流体分離されるようにするとともに、検知技法が単一のウェル１４、１４’内で実行され得ることが望ましい場合にはそのようにされるように、各ウェル１４、１４’は、各隣接するウェル１４、１４’から十分に離間され得る。一例として、アレイのウェル１４、１４’は、少なくとも約１μｍ隔てられ得る。これは、場合によっては、ほぼレーザースポットサイズの限界である。 Although one well 14, 14 'is shown in each of FIGS. 1A and 1B, any number of wells 14, 14' can be formed on a single substrate 12 or a single material 16. Should be understood. There is no limitation on the number of wells 14, 14 'that can be formed, except as defined by the size of the substrate 12 used. Where multiple wells 14, 14 'are formed, it is desirable to allow the wells 14, 14' to be fluidly separated from one another and to allow the sensing technique to be performed within a single well 14, 14 '. As such, each well 14, 14 'can be sufficiently spaced from each adjacent well 14, 14'. As an example, the wells 14, 14 ′ of the array can be separated by at least about 1 μm. This is almost the limit of the laser spot size in some cases.

図１Ａ及び図１Ｂに示す分子検知デバイス１０、１０’は、ウェル１４、１４’内に配置された前述した信号増幅構造体１８（複数の場合もある）も示している。用いられる信号増幅構造体１８のタイプ及び数は、分子検知デバイス１０、１０’を用いて実行される検知のタイプに少なくとも部分的に依存し得る。例えば、分子検知デバイス１０、１０’が表面増強ラマン分光法（ＳＥＲＳ）に用いられる場合、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）は、ナノ構造体であり得る。これらのナノ構造体は、少なくとも１つの寸法が約０．１ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲であり、高さが、当該ナノ構造体が形成されるウェル１４、１４’の深さよりも小さい。一例として、ウェル１４、１４’は、約１μｍの深さを有し、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）は、約５００ｎｍの高さを有する。 The molecular sensing device 10, 10 ′ shown in FIGS. 1A and 1B also shows the signal amplification structure 18 (as described above) disposed in the wells 14, 14 ′. The type and number of signal amplification structures 18 used may depend at least in part on the type of sensing performed using the molecular sensing device 10, 10 '. For example, if the molecular sensing device 10, 10 'is used in surface enhanced Raman spectroscopy (SERS), the signal amplification structure 18 (s) may be a nanostructure. These nanostructures have at least one dimension in the range of about 0.1 nm to about 100 nm, and the height is less than the depth of the wells 14, 14 'in which the nanostructures are formed. As an example, the wells 14, 14 ′ have a depth of about 1 μm and the signal amplification structure 18 (s) has a height of about 500 nm.

ナノ構造体の例には、アンテナ、ピラー又はナノワイヤ、ポール、可撓性の柱状構造体又は指状構造体、円錐形構造体、多面構造体等が含まれる。ＳＥＲＳ信号増幅構造体１８（複数の場合もある）は、レーザー照射に暴露されたときに分子（すなわち、試料、対象となる化学種、所定の化学種）からのラマン散乱を増幅する金属ナノ構造体又は金属被覆されたプラズモニックナノ構造体であり得る。この金属又は金属被覆は、信号増強材料、すなわち、特定の検知プロセス中に生成される信号を増強することができる材料である。一例では、この信号増強材料は、分子（又は対象となる他の化学種）が信号増幅構造体１８（複数の場合もある）に近接して位置するとき、かつ分子及び材料が光／電磁放射を受けたときに、ラマン散乱光子の数を増加させるラマン信号増強材料である。ラマン信号増強材料には、銀、金、及び銅が含まれるが、これらに限定されるものではない。 Examples of nanostructures include antennas, pillars or nanowires, poles, flexible columnar structures or finger structures, conical structures, polyhedral structures, and the like. The SERS signal amplification structure 18 (s) is a metal nanostructure that amplifies Raman scattering from molecules (ie, sample, subject chemical species, predetermined chemical species) when exposed to laser irradiation. It can be a body or a metal-coated plasmonic nanostructure. This metal or metal coating is a signal enhancing material, i.e. a material that can enhance the signal generated during a particular sensing process. In one example, the signal-enhancing material is used when the molecule (or other chemical species of interest) is located in close proximity to the signal amplification structure 18 (s) and the molecule and material are light / electromagnetic radiation. Is a Raman signal enhancement material that increases the number of Raman scattered photons when subjected to. Raman signal enhancing materials include, but are not limited to silver, gold, and copper.

図１Ａ及び図１Ｂでは、ラマン信号増強材料は、２０の符号で示され、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）の基部部分２２の先端に存在する材料である。信号増幅構造体１８（複数の場合もある）がラマン信号増強材料２０で部分的又は完全に被覆されているとき、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）の基部部分２２は、基板１２の材料、材料１６等の他の任意の好適な材料から形成され得る。 In FIGS. 1A and 1B, the Raman signal enhancement material is indicated by the numeral 20 and is the material present at the tip of the base portion 22 of the signal amplification structure 18 (s). When the signal amplification structure 18 (s) is partially or fully coated with the Raman signal enhancement material 20, the base portion 22 of the signal amplification structure 18 (s) may be Or any other suitable material such as material 16.

信号増幅構造体１８は、増強蛍光（例えば、金属増強蛍光又は表面増強蛍光（ＳＥＦ：surface enhanced fluorescence））又は増強化学ルミネセンス等の技法において用いられるようにも構成され得る。一例として、金属増強蛍光が適用される場合、信号増幅構造体１８の基部２２は、銀ナノ粒子で被覆され得る。別の例として、増強蛍光が適用される場合、信号増幅構造体１８は、局所表面プラズモン及び伝播表面プラズモンを結合するように構成され得る。 The signal amplification structure 18 may also be configured to be used in techniques such as enhanced fluorescence (eg, metal enhanced surface or surface enhanced fluorescence (SEF)) or enhanced chemiluminescence. As an example, when metal enhanced fluorescence is applied, the base 22 of the signal amplification structure 18 can be coated with silver nanoparticles. As another example, when enhanced fluorescence is applied, the signal amplification structure 18 may be configured to combine local and propagating surface plasmons.

信号増幅構造体１８（複数の場合もある）を形成するための技法を以下でより詳細に論述する。 Techniques for forming the signal amplification structure 18 (s) are discussed in more detail below.

前述したように、任意の数の信号増幅構造体１８（複数の場合もある）がウェル１４、１４’に存在し得るが、それは、ウェル１４、１４’の寸法、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）のサイズ、及び実行される検知のタイプに少なくとも部分的に依存している。例として、単一の信号増幅構造体１８が、単一のウェル１４、１４’に存在する場合もある。或いは、単一のウェル１４、１４’が複数構造体アセンブリを含み得るが、例えば、ダイマー（dimer：二量体）（すなわち、２つの構造体１８）、トライマー（trimer：三量体）（すなわち、３つの構造体１８）、テトラマー（tetramer：四量体）（すなわち、４つの構造体１８）、ペンタマー（pentamer：五量体）（すなわち、５つの構造体１８）等である。 As discussed above, any number of signal amplification structures 18 (or multiples) may be present in the wells 14, 14 ′, depending on the dimensions of the wells 14, 14 ′, the signal amplification structures 18 (multiples) Depending on the size and the type of detection performed. As an example, a single signal amplification structure 18 may be present in a single well 14, 14 '. Alternatively, a single well 14, 14 'may contain multiple structure assemblies, for example, dimers (ie, two structures 18), trimers (ie, trimers) (ie, Three structures 18), tetramers (namely, four structures 18), pentamers (namely, five structures 18), and the like.

図１Ａ及び図１Ｂに示す分子検知デバイス１０、１０’は、ウェル１４、１４’内の信号増幅構造体１８（複数の場合もある）を取り囲むとともに場合によっては覆うようにウェル１４、１４’内に導入される浸漬流体２４も備える。浸漬流体２４は、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）に有害な影響（例えば、形態の劣化、変化等）を与えない任意の好適な液体又は気体であり得る。浸漬流体２４は、（カバー２６とともに）信号増幅構造体１８（複数の場合もある）が、周囲環境からの望ましくない化学種を吸収することを防止すると考えられている。換言すれば、流体２４は、所望の検知技法を実行する前に、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）を周囲環境から保護する。複数の指状構造体が、信号増幅構造体１８として用いられ、同じウェル１４、１４’内に含まれるとき、浸漬流体は、これらの指状信号増幅構造体１８が（例えば、マイクロキャピラリー力等の外力に起因して）時期尚早に及び不可逆的に互いに向かって崩壊することを防止するとも考えられている。選択される浸漬流体２４は、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）に用いられる材料（複数の場合もある）に少なくとも部分的に依存する。一例では、浸漬流体２４は、水、水性溶液、非水系液体（複数の場合もある）、又は非水系溶液である。非水系液体の例には、アルコール（例えば、エタノール）、エタノールに溶解した炭化水素、窒素含有化合物、硫黄含有化合物、又はそれらを組み合わせたものが含まれる。別の例では、浸漬流体２４は、不活性ガス（例えば、ネオンガス、アルゴンガス、窒素系不活性ガス等）である。浸漬流体２４は、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）の表面に取り付けるか又は別の方法で関連付けて、或る特定の検知用途向けに対象となる化学物質の特定の結合を増強するリガンド又は別のアンカー化学種（anchor species）（例えば、ＤＮＡ、タンパク質等）も含み得る。これらの場合に、浸漬流体２４は、保護及び表面機能化という２重の目的に貢献し得る。 The molecular sensing device 10, 10 ′ shown in FIGS. 1A and 1B surrounds the signal amplification structure 18 (s) in the wells 14, 14 ′ and may optionally cover the wells 14, 14 ′. An immersion fluid 24 is also provided. Immersion fluid 24 may be any suitable liquid or gas that does not detrimentally affect signal amplification structure 18 (s) (eg, morphological degradation, changes, etc.). It is believed that the immersion fluid 24 (along with the cover 26) prevents the signal amplification structure 18 (s) from absorbing undesirable chemical species from the surrounding environment. In other words, the fluid 24 protects the signal amplification structure 18 (s) from the surrounding environment before performing the desired sensing technique. When multiple finger structures are used as the signal amplification structure 18 and are contained within the same well 14, 14 ', the immersion fluid causes the finger signal amplification structure 18 (eg, microcapillary force etc. It is also believed to prevent premature and irreversible collapsing towards each other (due to external forces). The immersion fluid 24 selected depends at least in part on the material (s) used for the signal amplification structure 18 (s). In one example, immersion fluid 24 is water, an aqueous solution, non-aqueous liquid (s), or a non-aqueous solution. Examples of non-aqueous liquids include alcohols (eg, ethanol), hydrocarbons dissolved in ethanol, nitrogen-containing compounds, sulfur-containing compounds, or combinations thereof. In another example, the immersion fluid 24 is an inert gas (eg, neon gas, argon gas, nitrogen-based inert gas, etc.). Immersion fluid 24 is attached to or otherwise associated with the surface of signal amplification structure 18 (s) to enhance specific binding of the chemical of interest for a particular sensing application. It can also include a ligand or another anchor species (eg, DNA, protein, etc.). In these cases, the immersion fluid 24 can contribute to the dual purpose of protection and surface functionalization.

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、分子検知デバイス１０、１０’は、（図１Ａに示すように）残りの表面Ｓ₁₂又は（図１Ｂに示すように）残りの表面Ｓ₁₆に取り付けられ得る取り外し可能カバー２６も備える。ウェル１４、１４’内の信号増幅構造体１８（複数の場合もある）に有害な影響を与えることなく表面Ｓ₁₂又はＳ₁₆から取り外され得る任意の好適な材料が用いられ得る。取り外し可能カバー材料の例には、表面Ｓ₁₂若しくはＳ₁₆から剥ぎ取ることができる薄いポリマー膜／メンブレン、又は表面Ｓ₁₂若しくはＳ₁₆から破壊して取り去るか若しくは切り取ることができるガラス、金属層若しくはポリマー層が含まれる。取り外し可能カバー２６は、任意の好適な厚さを有し得る。 As shown in FIGS. 1A and 1B, the molecular sensing device 10, 10 'may be mounted (as shown in FIG. 1A) remaining surface S ₁₂ or (as shown in FIG. 1B) remaining surface S ₁₆ A removable cover 26 is also provided. Any suitable material may be used which can be removed from the surface S ₁₂ or S ₁₆ without adversely affecting the signal amplifying structure 18 of the wells 14, 14 '(s). Examples of the removable cover material, glass which can be cut or do away with disrupted from the surface S thin polymer film / membrane can be peeled off from the ₁₂ or S ₁₆ or surface S ₁₂ or S _16,, metal layer or A polymer layer is included. The removable cover 26 can have any suitable thickness.

カバー２６が閉鎖位置にある（すなわち、ウェル１４、１４’内の浸漬流体２４を密封するために基板１２、又は材料１６、又は基板１２若しくは材料１６上に堆積された材料２０に付着されるか又は別の方法で固定されている）場合は、分子検知デバイス１０、１０’は、当該デバイス１０、１０’を検知用途で用いることが望まれるときまで、輸送及び／又は格納が可能である。検知用途を実行することが望まれるとき、取り外し可能カバー２６は、例えば、カバー２６を剥ぎ取るか、カバー２６を破壊するか、カバー２６のクリップを取り外すか、又は他の或る好適な方法によってカバー２６を取り外すことによって取り外され得る。 Is the cover 26 in a closed position (ie, attached to the substrate 12, or material 16, or material 20 deposited on the substrate 12 or material 16 to seal the immersion fluid 24 in the well 14, 14 ')? (Or otherwise fixed), the molecular sensing device 10, 10 'can be transported and / or stored until it is desired to use the device 10, 10' for sensing applications. When it is desired to perform a sensing application, the removable cover 26 may be removed by, for example, peeling the cover 26, breaking the cover 26, removing a clip on the cover 26, or some other suitable method. It can be removed by removing the cover 26.

図１Ａ及び図１Ｂに示す分子検知デバイス１０、１０’は、複数の方法を介して形成され得る。特に、ウェル１４、１４’は、任意の好適な技法を介して形成され得る。この任意の好適な技法は、用いられる基板１２又は材料１６のタイプ、並びにウェル（複数の場合もある）１４、１４’及び信号増幅構造体１８（複数の場合もある）を順次形成することが望ましいのか又は同時に形成することが望ましいのかに少なくとも部分的に依存する。 The molecular sensing device 10, 10 'shown in FIGS. 1A and 1B can be formed via a plurality of methods. In particular, the wells 14, 14 'can be formed via any suitable technique. Any suitable technique may sequentially form the type of substrate 12 or material 16 used, and well (s) 14, 14 'and signal amplification structure 18 (s). It depends at least in part on whether it is desirable or desirable to form simultaneously.

一例示の方法では、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）及びウェル（複数の場合もある）１４、１４’は、順次形成される。この例示の方法では、２ステップマスキング及びエッチングプロセスが用いられ得る。ウェル（複数の場合もある）１４が基板１２に形成されることが望ましいとき、この方法のこの例は、最初に、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）を基板１２に形成することと、次に、ウェル（複数の場合もある）１４を基板１２に形成することとを含む。例えば、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）用の所望のパターンを提供するマスクが基板１２上に配置され得、エッチングが、基板の厚さよりも小さくかつウェル（複数の場合もある）１４の所望の深さ以下である所望の深さまで実行され得る。用いられるエッチング液は、用いられている基板材料に依存するが、このステップは、一般に等方性（ウェット又はドライ）エッチングプロセスを伴う。信号増幅構造体１８（複数の場合もある）が形成された後、マスクは除去される。ウェル（複数の場合もある）１４用の所望のパターンを提供するとともに前に形成された信号増幅構造体１８（複数の場合もある）を保護する別のマスクが、基板１２上に配置され得る。このエッチングステップは、基板１２の厚さよりも小さくかつ前に形成された信号増幅構造体１８（複数の場合もある）の高さ以下である所望の深さまで実行され得る。 In one exemplary method, signal amplification structure 18 (s) and well (s) 14, 14 'are formed sequentially. In this exemplary method, a two-step masking and etching process may be used. When it is desired that the well (s) 14 be formed on the substrate 12, this example of the method is to first form the signal amplification structure 18 (s) on the substrate 12. And then forming well (s) 14 in substrate 12. For example, a mask providing a desired pattern for the signal amplification structure 18 (s) may be disposed on the substrate 12 and the etching is less than the thickness of the substrate and the well (s). It can be performed to a desired depth that is less than or equal to 14 desired depths. The etchant used depends on the substrate material being used, but this step generally involves an isotropic (wet or dry) etch process. After the signal amplification structure 18 (s) is formed, the mask is removed. Another mask may be disposed on the substrate 12 that provides the desired pattern for the well (s) 14 and protects the previously formed signal amplification structure 18 (s). . This etching step may be performed to a desired depth that is less than the thickness of the substrate 12 and less than or equal to the height of the previously formed signal amplification structure 18 (s).

用いられるエッチング液は、この場合も、用いられている基板材料に依存するが、このステップは、等方性又は異方性のいずれかの（ウェット又はドライ）エッチングプロセスを伴い得る。この同じ順次プロセスは、ウェル（複数の場合もある）１４’が材料１６に作製され、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）が当該材料に形成されるように、材料１６においても行われ得る。基板１２又は材料１６は、２つの層も有し得ることが理解されるべきであり、これらの２つの層では、上部層の材料及び厚さが、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）を（上記で説明した第１のマスキング／エッチングステップを用いて）形成するのに好適であるとともに、底部層の材料及び厚さが、ウェル（複数の場合もある）１４、１４’が当該材料に（上記で説明した第２のマスキング／エッチングステップを用いて）形成されるのに好適である。 The etchant used again depends on the substrate material being used, but this step can involve either an isotropic or anisotropic (wet or dry) etch process. This same sequential process is also performed in material 16 such that well (s) 14 'are made in material 16 and signal amplification structure 18 (s) is formed in the material. Can be broken. It should be understood that the substrate 12 or material 16 may also have two layers, in which the material and thickness of the top layer is the signal amplification structure 18 (there may be more than one). ) (Using the first masking / etching step described above) and the material and thickness of the bottom layer is such that the well (s) 14, 14 ' Suitable for being formed into a material (using the second masking / etching step described above).

別の例示の方法では、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）及びウェル１４、１４’は同時に形成される。この方法の１つの例が、図２Ａ〜図２Ｆに示され、分子検知デバイス１０’の形成を示している。この方法は、分子検知デバイス１０（又は図４に示す１０”）を形成するのにも用いられ得ることが理解されるべきである。 In another exemplary method, signal amplification structure 18 (s) and wells 14, 14 'are formed simultaneously. One example of this method is shown in FIGS. 2A-2F and illustrates the formation of a molecular sensing device 10 '. It should be understood that this method can also be used to form the molecular sensing device 10 (or 10 ″ shown in FIG. 4).

図２Ａは、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）及びウェル１４’の双方を形成するのに用いられ得るモールド２８の断面図を示している。モールド２８は、単結晶シリコン、ポリマー材料（アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリイミド等）、金属（アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル、合金等）、石英、セラミック、サファイア、シリコン窒化物、又はガラスから形成され得る。 FIG. 2A shows a cross-sectional view of a mold 28 that can be used to form both the signal amplification structure 18 (s) and the well 14 '. The mold 28 is made of single crystal silicon, polymer material (acrylic resin, polycarbonate, polydimethylsiloxane (PDMS), polyimide, etc.), metal (aluminum, copper, stainless steel, nickel, alloy, etc.), quartz, ceramic, sapphire, silicon nitride. Or can be formed from glass.

モールド２８は、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）及びウェル１４’用のパターンＰを有する。図２Ａに示すモールドは、単一のウェル１４’及び当該ウェル内の信号増幅構造体１８（複数）を形成するためのものであるが、単一のモールド２８が複数のウェル１４、１４’を作製するのにも用いられ得ることが理解されるべきであり、それぞれのウェルが１つ又は複数の信号増幅構造体１８を有する。 The mold 28 has a pattern P for the signal amplifying structure 18 (s) and the well 14 '. The mold shown in FIG. 2A is for forming a single well 14 ′ and signal amplification structures 18 in the well, but the single mold 28 includes a plurality of wells 14, 14 ′. It should be understood that it can also be used to fabricate, each well having one or more signal amplification structures 18.

パターンＰは、所望の信号増幅構造体１８（複数の場合もある）及びウェル１４’のネガ複製であり、したがって、形成される信号増幅構造体１８（複数の場合もある）の少なくとも基部（複数の場合もある）２２及びウェル１４’のための形状を画定する。パターンＰは、前述したナノ構造体（例えば、アンテナ、ピラー若しくはナノワイヤ、ポール、可撓性の柱状構造体若しくは指状構造体、円錐形構造体、又は多面構造体）のうちの任意のもののネガ複製であり得る。２つ以上の信号増幅構造体１８が所望されているとき、信号増幅構造体１８用のパターンＰは、全て同じの場合（例えば、全てがピラー）もあるし、全て異なる場合（例えば、１つはピラー、１つはポール、１つは指状構造体等）もあるし、信号増幅構造体１８のうちの幾つかのもののパターンＰが、信号増幅構造体１８のうちの１つ又は複数の他のものと異なる場合（例えば、１つはピラー、２つはポール、２つは円錐等）もある。さらに、２つ以上の信号増幅構造体１８が所望されているとき、信号増幅構造体１８用のパターンＰは、同じ又は異なる寸法を有し得る。またさらに、複数のウェル１４、１４’が同じモールド２８を用いて形成されるとき、ウェル１４、１４’用のパターンＰは、ウェル１４、１４’のうちの少なくとも１つについて同じである場合も又は異なる場合もあるとともに、信号増幅構造体１８用のパターンＰは、ウェル１４、１４’のうちの少なくとも１つについて同じである場合も又は異なる場合もある。例として、パターンＰは、縦長（tall）のナノワイヤ及び短いナノワイヤを同じウェル１４、１４’に形成するためのものである場合もあるし、幅広の直径の指状構造体を１つ又は複数のウェル１４、１４’に形成するとともに狭い直径の指状構造体を１つ又は複数の他のウェル１４、１４’に形成するためのものである場合もある。 The pattern P is a negative replica of the desired signal amplification structure 18 (s) and well 14 'and thus at least the base (s) of the signal amplification structure 18 (s) to be formed. 2) and the shape for well 14 '. The pattern P is a negative of any of the nanostructures described above (eg, antennas, pillars or nanowires, poles, flexible columnar structures or finger structures, conical structures, or multifaceted structures). Can be a duplicate. When two or more signal amplifying structures 18 are desired, the patterns P for the signal amplifying structures 18 may all be the same (for example, all pillars) or may be all different (for example, one , One pole, one finger structure, etc.) and the pattern P of some of the signal amplification structures 18 may be one or more of the signal amplification structures 18. There are also cases where it is different from others (eg, one pillar, two poles, two cones, etc.). Further, when more than one signal amplification structure 18 is desired, the pattern P for the signal amplification structure 18 may have the same or different dimensions. Furthermore, when a plurality of wells 14 and 14 'are formed using the same mold 28, the pattern P for the wells 14 and 14' may be the same for at least one of the wells 14 and 14 '. Alternatively, the pattern P for the signal amplification structure 18 may be the same or different for at least one of the wells 14, 14 ′. By way of example, the pattern P may be for forming tall nanowires and short nanowires in the same well 14, 14 ', or one or more wide-diameter finger structures. In some cases, it may be formed in the wells 14, 14 ′ and a narrow diameter finger structure may be formed in one or more other wells 14, 14 ′.

パターンＰは、モールド２８に一体形成され得る。一例では、パターンＰは、深掘り反応性イオンエッチング及びパッシベーションを介してモールド２８に形成され得る。より具体的には、ボッシュ（Bosch）プロセスが用いられ得、このプロセスは、エッチング（例えば、ＳＦ₆プラズマ及びＯ₂プラズマを用いる）とパッシベーション（例えば、Ｃ₄Ｆ₈プラズマを用いる）との一連の交番サイクルを伴う。結果として得られるパターンの形態は、プロセスの条件（例えば、真空圧力、ＲＦ電力、総処理時間、個々のエッチングサイクル時間、個々のパッシベーションサイクル時間、及びガス流量）を制御することによって制御され得る。一例では、エッチャーは、１５ｍＴｏｒｒ（１．９９９８Ｐａ）の圧力において作動され得、エッチャーのコイル及びプラテンの電力は、それぞれ８００Ｗ及び１０Ｗであり、各エッチングサイクル（ＳＦ₆及びＯ₂を用いる）は６秒であり、各パッシベーションサイクル（Ｃ₄Ｆ₈を用いる）は５秒であり、ＳＦ₆、Ｏ₂、及びＣ₄Ｆ₈の流量は、それぞれ１００ｓｃｃｍ、１３ｓｃｃｍ、及び１００ｓｃｃｍである。より一般的には、流量は、約１００ｓｃｃｍまでの任意の流量であり得る。 The pattern P can be formed integrally with the mold 28. In one example, the pattern P can be formed in the mold 28 via deep reactive ion etching and passivation. More specifically, a Bosch process may be used, which is a series of etching (eg, using SF ₆ plasma and O ₂ plasma) and passivation (eg, using C ₄ F ₈ plasma). With an alternating cycle. The resulting pattern morphology can be controlled by controlling process conditions (eg, vacuum pressure, RF power, total processing time, individual etch cycle time, individual passivation cycle time, and gas flow rate). In one example, the etcher may be operated at a pressure of 15 mTorr (1.9998 Pa), the etcher coil and platen powers are 800 W and 10 W, respectively, and each etch cycle (using SF ₆ and O ₂ ) is 6 seconds. Each passivation cycle (using C ₄ F ₈ ) is 5 seconds, and the flow rates of SF ₆ , O ₂ , and C ₄ F ₈ are 100 sccm, 13 sccm, and 100 sccm, respectively. More generally, the flow rate can be any flow rate up to about 100 sccm.

パターンＰのうち、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）を形成する部分は、信号増幅構造体の形状の規則的なアレイ又は不規則的なアレイを含み得る。前に説明したエッチングプロセス及びパッシベーションプロセスは、多くの場合、不規則的なアレイをもたらす。規則的なアレイを生成するために、集束イオンビームリソグラフィー、集束ｅビームリソグラフィー、又は光リソグラフィー等の製造方法が用いられ得ることが理解されるべきである。パターンＰのうち、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）を形成する部分は、結果として得られる信号増幅構造体１８（複数の場合もある）がラマンスペクトル上の標的範囲に対して高感度になる（例えば、特定の波長においてより強い信号を生成することができる）ことを可能にする所定の方法で設計され得ると考えられる。 The portion of the pattern P that forms the signal amplification structure 18 (s) may include a regular array or an irregular array of signal amplification structure shapes. The previously described etching and passivation processes often result in irregular arrays. It should be understood that manufacturing methods such as focused ion beam lithography, focused e-beam lithography, or optical lithography can be used to generate a regular array. The portion of the pattern P that forms the signal amplification structure 18 (there may be a plurality) is such that the resulting signal amplification structure 18 (there may be a plurality of) is higher than the target range on the Raman spectrum. It is believed that it can be designed in a predetermined manner that allows it to become sensitive (eg, it can produce a stronger signal at a particular wavelength).

図２Ｂに示すように、モールド２８は、基板１２上に事前に堆積されたレジスト材料１６内にプレス加工される。代替的に、レジスト材料１６をモールド２８上に堆積させることができ、その後、基板１２を材料１６に付着させることができる。レジスト材料１６は、紫外線（ＵＶ）硬化性レジスト材料又は熱硬化性レジスト材料であり得る。レジスト材料１６は、スピンコーティング、ドロップコーティング、ディップコーティング等の任意の好適な技法を介して基板１２又はモールド２８上に堆積され得る。レジスト材料１６の厚さは、当該レジスト材料に形成されるウェル１４’の所望の深さと同程度の厚さ又はそれよりも大きな厚さであり得る。 As shown in FIG. 2B, the mold 28 is pressed into the resist material 16 previously deposited on the substrate 12. Alternatively, the resist material 16 can be deposited on the mold 28 and then the substrate 12 can be attached to the material 16. Resist material 16 may be an ultraviolet (UV) curable resist material or a thermosetting resist material. Resist material 16 may be deposited on substrate 12 or mold 28 via any suitable technique such as spin coating, drop coating, dip coating, or the like. The thickness of the resist material 16 can be as large as or greater than the desired depth of the well 14 'formed in the resist material.

モールド２８は、レジスト材料１６内に（又はそれ以外の場合にはレジスト材料と接触して）プレス加工されるが、構造体は、レジスト材料１６を部分的又は完全に硬化させるためにＵＶ光又は熱に暴露され得る。完全に硬化したものが図２Ｃに示されている。ＵＶ又は熱に暴露する時間、用いられるＵＶランプの電力、熱の温度、及び他の同様の硬化パラメーターは、用いられるレジスト材料１６に少なくとも部分的に依存することが理解されるべきである。図に示す例では、硬化が完了すると、モールド２８は、除去され得（図２Ｄに図示）、その結果得られる構造体は、ウェル１４’を形成するようにパターン化された硬化したレジスト１６と、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）の基部（複数の場合もある）２２とを含む。上述したように、モールド２８は、レジスト材料１６内（又はそれ以外の場合にはレジスト材料と接触して）プレス加工されるが、部分的な硬化が実行され得る。部分的な硬化では、レジスト材料１６の全てではなく一部が硬化する。部分的な硬化の後、モールド２８は除去され得る。モールド２８が除去されると、レジスト材料１６が完全に硬化するまで、硬化は継続され得る。 The mold 28 is pressed into the resist material 16 (or otherwise in contact with the resist material), but the structure is UV light or in order to partially or fully cure the resist material 16. Can be exposed to heat. Fully cured is shown in FIG. 2C. It should be understood that the time of exposure to UV or heat, the power of the UV lamp used, the temperature of the heat, and other similar curing parameters will depend at least in part on the resist material 16 used. In the illustrated example, once curing is complete, the mold 28 can be removed (shown in FIG. 2D), and the resulting structure includes a hardened resist 16 patterned to form a well 14 '. , And base (several) 22 of signal amplification structure 18 (several). As described above, the mold 28 is pressed into the resist material 16 (or otherwise in contact with the resist material), although partial curing can be performed. In partial curing, some but not all of the resist material 16 is cured. After partial curing, the mold 28 can be removed. Once the mold 28 is removed, curing can continue until the resist material 16 is fully cured.

図２Ａ〜図２Ｆに示す方法の例では、硬化が完了し、モールド２８が除去された後、信号増強材料２０は、少なくとも、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）の基部部分２２の表面上に堆積される。信号増強材料２０は、任意の好適な堆積技法又は他のコーティング技法によって確立され得る。幾つかの例では、材料２０が、硬化したレジスト１６の暴露された部分の全てに確立されるように、ブランケット堆積技法が用いられ得る。他の例では、材料２０が、例えば、基部２２の先端のみに確立されるように、選択的堆積技法が用いられ得る。例として、材料２０は、電子ビーム（ｅビーム）蒸着又はスパッタリングを介して堆積され得る。更に他の例では、信号増強材料２０は、硬化したレジスト１６上に被覆される事前に形成された（例えば、銀、金、銅等の）ナノ粒子とすることができる。そのようなナノ粒子は、約１ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲の平均直径を有し得る。基部２２の頂端に（材料２０の連続コーティングではなく）材料２０のナノ粒子が存在することによって、例えば、ＳＥＲＳの動作中に電界強度が更に高められると考えられている。材料２０自体は、堆積プロセス中に自然発生的に形成される表面粗さも有し得る。この表面粗さは、付加的な光アンテナとして機能して、各信号増幅構造体１８上でのＳＥＲＳ活性サイトを増大させることができる。 In the example method shown in FIGS. 2A-2F, after curing is complete and mold 28 is removed, signal enhancement material 20 is at least of base portion 22 of signal amplification structure 18 (s). Deposited on the surface. The signal enhancement material 20 may be established by any suitable deposition technique or other coating technique. In some examples, a blanket deposition technique can be used so that the material 20 is established on all exposed portions of the cured resist 16. In other examples, selective deposition techniques can be used such that the material 20 is established only at the tip of the base 22, for example. As an example, the material 20 can be deposited via electron beam (e-beam) evaporation or sputtering. In yet another example, the signal enhancement material 20 can be a pre-formed nanoparticle (eg, silver, gold, copper, etc.) that is coated on the cured resist 16. Such nanoparticles can have an average diameter ranging from about 1 nm to about 10 nm. It is believed that the presence of nanoparticles of material 20 (rather than a continuous coating of material 20) at the apex of base 22 further increases the field strength, for example during SERS operation. The material 20 itself may also have a surface roughness that forms spontaneously during the deposition process. This surface roughness can act as an additional optical antenna to increase the SERS active site on each signal amplification structure 18.

完全な信号増幅構造体１８が形成された後、選択された浸漬流体２４が、図２Ｆに示すように堆積されるか又は別の方法でウェル１４’内に導入される。浸漬流体２４は、例えば、信号増幅構造体１８（複数の場合もある）を取り囲むとともに、場合によっては、ウェル１４’（又は１４）を満たす浸漬流体２４の量を堆積／分注することができる任意のディスペンサーを用いて堆積／分注され得る。浸漬流体２４は、例えば、先端又はピペットを介して手動で分注され得る。浸漬流体２４は、同様に又は代替的に、例えば、ジェットディスペンサー（例えば、サーマルジェットディスペンサー、ピエゾジェットディスペンサー、ピエゾキャピラリージェットディスペンサー）又はアコースティックディスペンサー（例えば、ラボサイトエコー（Labcyte Echo）アコースティックディスペンサー）を介して自動的に分注され得る。 After the complete signal amplification structure 18 has been formed, the selected immersion fluid 24 is deposited or otherwise introduced into the well 14 'as shown in FIG. 2F. The immersion fluid 24 may, for example, surround the signal amplification structure 18 (s) and, in some cases, deposit / dispense the amount of immersion fluid 24 that fills the well 14 '(or 14). It can be deposited / dispensed using any dispenser. The immersion fluid 24 can be manually dispensed, for example, via a tip or pipette. The immersion fluid 24 is similarly or alternatively via, for example, a jet dispenser (eg, thermal jet dispenser, piezo jet dispenser, piezocapillary jet dispenser) or an acoustic dispenser (eg, Labcyte Echo acoustic dispenser). Can be dispensed automatically.

ガスが用いられるとき、構造体は、所望のガスで満たされた箱又は容器内に配置され得る。ウェル１４、１４’は、ガスで満たされた箱内にある間、密封され得る。 When a gas is used, the structure can be placed in a box or container filled with the desired gas. Wells 14, 14 'can be sealed while in a gas-filled box.

浸漬流体２４は、構造体の最も外側の表面、又は液体２４をウェル１４’（又は１４’）内に密封する構造体の他の任意の表面に取り外し可能カバー２６を取り外し可能に取り付けることによって、ウェル１４’（又は１４）内に密封され得る。取り外し可能カバー２６は、図２Ｆに示されている。この特定の例では、取り外し可能カバー２６は、硬化した材料１６の最も外側の部分に存在する信号増強材料２０に付着されている。カバー２６を基板１２、材料１６、又は材料２０に取り付ける方法は、用いられる材料及び所望の取り外し方法に少なくとも部分的に依存する。例えば、薄いポリマー膜／メンブレンが取り外し可能カバー２６として用いられ、この膜／メンブレンを剥ぎ取ることができることが望ましい場合、カバー２６を分子検知デバイス１０、１０’に取り外し可能に固定するのに、接着剤が用いられ得る。別の例の場合、より厚いポリマー層又はガラス層が、取り外し可能カバー２６として用いられ、このカバー２６は、後でクリッパーを用いて分子検知デバイス１０、１０’からクリップを取り外され得るように、構造体に取り付けられ得る。一例では、クリップは、整合する孔及び突出部をエンボス加工することによって形成され得る。 The immersion fluid 24 is removably attached to the outermost surface of the structure, or any other surface of the structure that seals the liquid 24 within the well 14 '(or 14'), It can be sealed in the well 14 '(or 14). The removable cover 26 is shown in FIG. 2F. In this particular example, the removable cover 26 is attached to the signal enhancement material 20 present in the outermost portion of the cured material 16. The method of attaching the cover 26 to the substrate 12, material 16, or material 20 depends at least in part on the material used and the desired removal method. For example, if a thin polymer membrane / membrane is used as the removable cover 26 and it is desirable that the membrane / membrane can be peeled off, the adhesive can be used to removably secure the cover 26 to the molecular sensing device 10, 10 '. Agents can be used. In another example, a thicker polymer or glass layer is used as a removable cover 26, which can be later removed from the molecular sensing device 10, 10 'using a clipper. Can be attached to a structure. In one example, the clip may be formed by embossing the matching holes and protrusions.

浸漬流体２４がカバー２６を介して密封されると、分子検知デバイス１０、１０’の輸送及び／又は格納の準備が完了する。 Once the immersion fluid 24 is sealed through the cover 26, the molecular sensing device 10, 10 'is ready for transport and / or storage.

次に図３Ａ〜図３Ｃを参照すると、デバイス１０、１０’の種々の上面図が示されている。カバー２６及び信号増幅構造体１８（複数の場合もある）は、明瞭にするために取り除かれている。これらの図は、ウェル１４、１４’に用いられ得る種々の形状（デバイス１０、１０’を上から見たときのもの）を示すとともに、ウェル１４、１４’に含まれる浸漬流体２４の様々な選択肢も示している。 Referring now to FIGS. 3A-3C, various top views of devices 10, 10 'are shown. Cover 26 and signal amplification structure 18 (s) have been removed for clarity. These figures show the various shapes that can be used for the wells 14, 14 ′ (when the device 10, 10 ′ is viewed from above) and the various immersion fluids 24 contained in the wells 14, 14 ′. The options are also shown.

図３Ａは、矩形のウェル１４、１４’を有する一例示のデバイス１０、１０’を示し、このデバイスでは、この長方形は、表面Ｓ₁₂又はＳ₁₆からウェル１４、１４’の深さにわたって延在する。矩形のウェル１４、１４’のそれぞれにおける異なるイラストは、長方形のウェル１４、１４’のそれぞれに堆積された異なる浸漬流体２４_A、２４_B、２４_C、２４_D、２４_E、２４_Fを表している。異なる浸漬流体２４_A、２４_B、２４_C、２４_D、２４_E、２４_Fは、例えば、１つのウェル１４、１４’に存在する信号増幅構造体１８（複数の場合もある）を、他のウェル１４、１４’のそれぞれに存在する信号増幅構造体１８（複数の場合もある）と異なって機能化させることが望ましいときに用いられ得る。例えば、それぞれのウェル１４、１４’内の信号増幅構造体１８（複数の場合もある）が、異なるタイプのＤＮＡを用いて機能化される場合、浸漬流体２４_A、２４_B、２４_C、２４_D、２４_E、２４_Fは、特定のウェル１４、１４’内の特定のタイプのＤＮＡに好適な異なるイオン濃度及び／又は異なるｐＨレベルを有する異なるイオン溶液であり得る。この特定のデバイス１０、１０’を用いて検知が適用されている間、各ウェル１４、１４’を同じ試料に暴露することが望ましい場合もあるし、幾つかのウェル１４、１４’を特定の試料に暴露するとともに少なくとも１つの他のウェル１４、１４’を異なる試料に暴露することが望ましい場合もあるし、ウェル１４、１４’のそれぞれを異なる試料に暴露することが望ましい場合もある。 FIG. 3A shows an exemplary device 10, 10 ′ having a rectangular well 14, 14 ′, in which the rectangle extends from the surface S ₁₂ or S ₁₆ to the depth of the well 14, 14 ′. To do. Rectangular wells 14, 14 'different illustrations in each of the rectangular wells 14, 14' represent different immersion fluid 24 _A deposited on the _{_{respective, 24 B, 24 C, 24}} D, 24 E, 24 F Yes. The different immersion fluids 24 _A , 24 _B , 24 _C , 24 _D , 24 _E , 24 _F can be used, for example, for the signal amplification structure 18 (s) present in one well 14, 14 ′ to the other It may be used when it is desired to be functionalized differently from the signal amplification structure 18 (s) present in each of the wells 14, 14 '. For example, each well 14, 14 'signal amplifying structures 18 (s) is, when functionalized with different types of DNA, the immersion fluid _{_{_{24 A, 24 B, 24 C}}} , 24 _D, 24 _E, 24 _F may be a different ionic solution having a specific type of suitable different ion concentrations and / or different pH levels in the DNA of a particular well 14, 14 '. While sensing is being applied using this particular device 10, 10 ', it may be desirable to expose each well 14, 14' to the same sample, or several wells 14, 14 ' It may be desirable to expose the sample and at least one other well 14, 14 'to a different sample, or it may be desirable to expose each of the wells 14, 14' to a different sample.

図３Ｂは、円形のウェル１４、１４’を有する一例示のデバイス１０、１０’を示し、このデバイスでは、この円形は、表面Ｓ₁₂又はＳ₁₆からウェル１４、１４’の深さにわたって延在する。この図では、円形のウェル１４、１４’のそれぞれにおける異なるイラストは、円形のウェル１４、１４’のそれぞれに堆積された同じ浸漬流体２４を表している。この同じ浸漬流体２４は、例えば、ウェル１４、１４’のそれぞれに存在する信号増幅構造体１８（複数の場合もある）を同じように機能化させることが望ましいとき、又は非機能化された信号増幅構造体１８（複数の場合もある）を同じ試料（浸漬流体２４がウェル１４、１４’に存在する間に加えることができる）に暴露することが望ましいときに用いられ得る。この特定のデバイス１０、１０’を用いて検知が適用されている間、各ウェル１４、１４’を同じ試料に暴露することが望ましい場合もあるし、幾つかのウェル１４、１４’を特定の試料に暴露するとともに少なくとも１つの他のウェル１４、１４’を異なる試料に暴露することが望ましい場合もあるし、ウェル１４、１４’のそれぞれを異なる試料に暴露することが望ましい場合もある。 FIG. 3B shows an exemplary device 10, 10 ′ having a circular well 14, 14 ′, in which the circle extends from the surface S ₁₂ or S ₁₆ to the depth of the well 14, 14 ′. To do. In this figure, the different illustrations in each of the circular wells 14, 14 'represent the same immersion fluid 24 deposited in each of the circular wells 14, 14'. This same immersion fluid 24 may be used, for example, when it is desirable to similarly function the signal amplification structure 18 (s) present in each of the wells 14, 14 ′, or a non-functionalized signal. It can be used when it is desirable to expose the amplification structure 18 (s) to the same sample (which can be added while the immersion fluid 24 is in the wells 14, 14 '). While sensing is being applied using this particular device 10, 10 ', it may be desirable to expose each well 14, 14' to the same sample, or several wells 14, 14 ' It may be desirable to expose the sample and at least one other well 14, 14 'to a different sample, or it may be desirable to expose each of the wells 14, 14' to a different sample.

図３Ｃは、三角形のウェル１４、１４’を有する一例示のデバイス１０、１０’を示し、このデバイスでは、この三角形は、表面Ｓ₁₂又はＳ₁₆からウェル１４、１４’の深さにわたって延在する。三角形のウェル１４、１４’の異なる列における異なるイラストは、特定の列に整列されたそれぞれの三角形のウェル１４、１４’に堆積された異なる浸漬流体２４_A、２４_B、２４_Cを表している。異なる浸漬流体２４_A、２４_B、２４_Cは、例えば、１つの列のウェル１４、１４’に存在する信号増幅構造体１８（複数の場合もある）を、他の列のウェル１４、１４’に存在する信号増幅構造体１８（複数の場合もある）と異なって機能化させることが望ましいときに用いられ得る。例えば、第１列のウェル１４、１４’内の信号増幅構造体１８の全てをＤＮＡを用いて機能化させ、第２列のウェル１４、１４’内の信号増幅構造体１８の全てをタンパク質を用いて機能化させ、第３列のウェル１４、１４’内の信号増幅構造体１８の全てをリガンドを用いて機能化させることが望ましい場合がある。この例では、浸漬流体２４_Aは、ＤＮＡを含有する液体であり、浸漬流体２４_Bは、タンパク質を含有する液体であり、浸漬流体２４_Cは、リガンドを含有する液体である。この特定のデバイス１０、１０’を用いて検知が適用されている間、各ウェル１４、１４’を同じ試料に暴露することが望ましい場合もあるし、１つの列内のウェル１４、１４’の全てを同じ試料に暴露するが、列のそれぞれを異なる試料に暴露することが望ましい場合もあるし、１つの行内のウェル１４、１４’の全てを同じ試料に暴露するが、行のそれぞれを異なる試料に暴露することが望ましい場合もある。 FIG. 3C shows an exemplary device 10, 10 ′ having a triangular well 14, 14 ′, where the triangle extends from the surface S ₁₂ or S ₁₆ to the depth of the well 14, 14 ′. To do. Triangular wells 14,14 'different illustrations of different columns of a particular row in aligned wells 14 and 14 each triangle' represent different immersion fluid deposited 24 _A, 24 _B, 24 _C . The different immersion fluids 24 _A , 24 _B , 24 _C may, for example, cause the signal amplification structure 18 (s) present in one row of wells 14, 14 ′ to pass through the other row of wells 14, 14 ′. May be used when it is desired to be functionalized differently from the signal amplification structure 18 (s) present in FIG. For example, all of the signal amplification structures 18 in the wells 14 and 14 'in the first row are functionalized using DNA, and all of the signal amplification structures 18 in the wells 14 and 14' in the second row are made protein. It may be desirable to functionalize all of the signal amplification structures 18 in the third row of wells 14, 14 ′ with a ligand. In this example, the immersion fluid 24 _A is a liquid containing DNA, the immersion fluid 24 _B is a liquid containing protein, and the immersion fluid 24 _C is a liquid containing a ligand. While sensing is being applied using this particular device 10, 10 ', it may be desirable to expose each well 14, 14' to the same sample, or for wells 14, 14 'in a row. Although all are exposed to the same sample, it may be desirable to expose each of the columns to a different sample, and all of the wells 14, 14 ′ in one row are exposed to the same sample, but each row is different It may be desirable to expose the sample.

次に図４を参照すると、分子検知デバイスの別の例１０”が示されている。このデバイス１０”は、１つのウェル１４を別のウェル１４から更に隔離する隔壁３０を備える。隔壁３０は、任意の望ましい高さを有し得、それぞれのウェル１４、１４’を完全に取り囲むように配置又は形成することができる。ウェル１４、１４’を完全に取り囲む隔壁３０によって、浸漬流体２４が、隣接するウェル１４、１４’に入ることなくウェル１４、１４’からあふれ出ることが可能になる。ウェル１４、１４’を完全に取り囲む隔壁３０によって、異なる試料含有溶液を特定のウェル１４、１４’内に正確に分注する必要なく、異なる試料含有流体を異なるウェル１４、１４’に導入することも可能になる。これは、隔壁３０が、ウェル１４、１４’自体よりも大きな、ウェル１４、１４’を取り囲む包含エリアを作成することに起因している。 Referring now to FIG. 4, another example of a molecular sensing device 10 ″ is shown. The device 10 ″ includes a septum 30 that further isolates one well 14 from another. The septum 30 can have any desired height and can be arranged or formed to completely surround each well 14, 14 '. A septum 30 that completely surrounds the wells 14, 14 'allows the immersion fluid 24 to overflow the wells 14, 14' without entering the adjacent wells 14, 14 '. Introducing different sample-containing fluids into different wells 14, 14 'without the need to accurately dispense different sample-containing solutions into specific wells 14, 14' by septum 30 that completely surrounds wells 14, 14 ' Is also possible. This is due to the fact that the septum 30 creates a containment area surrounding the well 14, 14 'that is larger than the well 14, 14' itself.

この例示のデバイス１０”では、隔壁３０は、基板１２の表面Ｓ₁₂に取り付けられているが、壁３０は、基板１２と一体形成することができることが理解されるべきである。隔壁３０は、実行される検知技法を妨げない任意の望ましい材料（例えば、透明ポリマー、ガラス等）から作製され得る。隔壁３０は、基板１２とは別個のものであるとき、例えば、接着剤を用いて取り付けられ得る。 In the device 10 'of this example, the partition wall 30 is attached to the surface S ₁₂ of the substrate 12, the wall 30 is to be understood that it can be integrally formed with the substrate 12. Partition wall 30, It can be made from any desired material that does not interfere with the sensing technique being performed (eg, transparent polymer, glass, etc.) When the septum 30 is separate from the substrate 12, it is attached using, for example, an adhesive. obtain.

このデバイス１０”は、ウェル１４が基板１２に形成されているので、図１Ａに示すデバイス１０に類似している。一方、デバイス１０”は、基板１２に存在する材料１６にウェル１４’を形成し、次いで、隔壁３０を材料１６に取り付けることによって、図１Ｂに示すデバイス１０’に類似させることができる。代替的に、隔壁３０は、材料１６と一体形成することができる。 This device 10 ″ is similar to the device 10 shown in FIG. 1A because the well 14 is formed in the substrate 12. On the other hand, the device 10 ″ forms the well 14 ′ in the material 16 present in the substrate 12. Then, by attaching the septum 30 to the material 16, it can be similar to the device 10 'shown in FIG. 1B. Alternatively, the septum 30 can be integrally formed with the material 16.

図４に示す例示のデバイス１０”では、２つのウェル１４内の信号増幅構造体１８は異なる。ウェル１４のうちの一方（図の左側）は、４つの指状信号増幅構造体１８を含み、ウェル１４のうちの他方（図の右側）は、３つの円錐形信号増幅構造体１８を含む。単一のモールド２８がそのようなウェル１４及び構造体１８を製造するのに用いられ得ることが理解されるべきである。 In the exemplary device 10 "shown in FIG. 4, the signal amplification structures 18 in the two wells 14 are different. One of the wells 14 (left side of the figure) includes four finger signal amplification structures 18, The other of the wells 14 (right side of the figure) includes three conical signal amplification structures 18. A single mold 28 can be used to fabricate such wells 14 and structures 18. Should be understood.

図４に示す隔壁３０は、２つの別々のカバー２６がウェル１４を密封するのに利用され得るようにウェル１４を分離している。この例では、取り外し可能カバー２６が基板１２から個々に取り外され得るように、カバー２６は、基板１２のそれぞれのエリアに別々に取り付けられる。一例では、カバーされていないウェル１４を用いて分子検知技法を実行し得るように、一方のカバー２６は、ウェル１４のうちの一方から取り外され得るが、ウェル１４のうちの他方は、カバーされたままである。この例では、ウェル１４のうちの他方は、その後、そのウェル１４を用いて別の分子検知技法を実行し得るようにカバーを除かれ得る。別の例では、カバーされていないウェル１４のそれぞれを同時に用いて分子検知技法を実行し得るように、カバー２６のそれぞれが取り外され得る。隔壁３０がそれぞれのウェル１４を完全に取り囲む他の例では、単一のカバー２６が、ウェル１４の周囲のそれぞれのエリア（隔壁３０によって画定される）を密封するように隔壁３０に取り付けられ得る。 The septum 30 shown in FIG. 4 separates the wells 14 so that two separate covers 26 can be utilized to seal the wells 14. In this example, the cover 26 is separately attached to each area of the substrate 12 so that the removable cover 26 can be individually removed from the substrate 12. In one example, one cover 26 can be removed from one of the wells 14 while the other of the wells 14 is covered so that molecular sensing techniques can be performed using uncovered wells 14. It remains. In this example, the other of the wells 14 can then be uncovered so that another molecular sensing technique can be performed using that well 14. In another example, each of the covers 26 may be removed so that each of the uncovered wells 14 can be used simultaneously to perform a molecular sensing technique. In other examples where the septum 30 completely surrounds each well 14, a single cover 26 may be attached to the septum 30 to seal each area around the well 14 (defined by the septum 30). .

次に図５を参照すると、分子検知システムの一例１００が示されている。図５に示すシステム１００は、レーザー源３２と、分子検知デバイスの一例１０’（ただし、デバイス１０及び１０”もシステム１００において利用され得る）と、光検出器３４とを備えるＳＥＲＳシステムである。この例では、信号増幅構造体１８は、ＳＥＲＳ信号増幅構造体であり、これらのＳＥＲＳ信号増幅構造体のそれぞれは、ピラー又は指状基部２２と、この基部２２の先端／上部に堆積されたラマン信号増強材料２０とを備える。試料分子Ａがウェル１４’内に導入される。 Referring now to FIG. 5, an example molecule detection system 100 is shown. The system 100 shown in FIG. 5 is a SERS system that includes a laser source 32, an example molecular sensing device 10 ′ (but devices 10 and 10 ″ can also be utilized in the system 100), and a photodetector 34. In this example, the signal amplifying structure 18 is a SERS signal amplifying structure, each of which has a pillar or finger base 22 and a Raman deposited on the tip / top of this base 22. A signal enhancement material 20. A sample molecule A is introduced into the well 14 '.

レーザー源３２は、狭いスペクトル線幅を有する光源であり得、可視領域内又は近赤外領域内の単色光ビームＬを放出するように選択される。レーザー源３２は、定常状態レーザー又はパルスレーザーから選択され得る。レーザー源３２は、光Ｌを分子検知デバイス１０’上に投射するように配置される。レンズ（図示せず）及び／又は他の光学機器（例えば、光学顕微鏡）が、レーザー光Ｌを所望の方法で誘導する（例えば、曲げる）のに用いられ得る。１つの例では、レーザー源３２はチップ上に集積される。レーザー源３２は、電源（図示せず）にも作動接続され得る。 The laser source 32 may be a light source having a narrow spectral line width and is selected to emit a monochromatic light beam L in the visible or near infrared region. The laser source 32 may be selected from a steady state laser or a pulsed laser. The laser source 32 is arranged to project the light L onto the molecular detection device 10 '. A lens (not shown) and / or other optical equipment (eg, an optical microscope) can be used to direct (eg, bend) the laser light L in a desired manner. In one example, the laser source 32 is integrated on a chip. Laser source 32 may also be operatively connected to a power source (not shown).

システム１００の動作中、分子検知デバイス１０’のカバー（複数の場合もある）２６は取り外され、ウェル内の浸漬流体２４は、試料含有流体の導入前に除去され得るか又は試料含有流体が導入されるときにウェル１４’内に留まり得る。浸漬流体２４が除去されるか否かは、用いられる浸漬流体２４のタイプと、浸漬流体２４が導入される試料分子Ａと反応するか否か又はそれ以外で試料分子Ａと信号増幅構造体１８との間の望ましい相互作用を妨げるか否かとに少なくとも部分的に依存する。浸漬流体２４の除去は、液体２４をウェル（複数の場合もある）１４’の外部に流出させることによるか、液体２４をウェル（複数の場合もある）１４’からピペットで取り出すか若しくは吸引することによるか、ウェル（複数の場合もある）１４’にガスを流すことによるか、液体２４をウェル（複数の場合もある）１４’から気化させることによるか、又は他の任意の好適な技法によって達成され得る。 During operation of the system 100, the cover (s) 26 of the molecular sensing device 10 'may be removed and the immersion fluid 24 in the wells may be removed prior to the introduction of the sample containing fluid or the sample containing fluid may be introduced. Can remain in the well 14 'when done. Whether or not the immersion fluid 24 is removed depends on the type of immersion fluid 24 used and whether or not the immersion fluid 24 reacts with the sample molecule A introduced, or otherwise the sample molecule A and the signal amplification structure 18. Depends at least in part on whether or not to prevent the desired interaction between the two. The removal of the immersion fluid 24 is by allowing the liquid 24 to flow out of the well (s) 14 ', or the liquid 24 is pipetted or aspirated from the well (s) 14'. Or by flowing gas through the well (s) 14 ', evaporating the liquid 24 from the well (s) 14', or any other suitable technique Can be achieved.

試料分子Ａを含有するか又は試料分子Ａの担体として機能する流体（すなわち、液体（例えば、水、エタノール等）又は気体（例えば、空気、窒素、アルゴン等）は、ウェル（複数の場合もある）１４’内に導入される。上述したように、異なる試料分子Ａが、１つ又は複数の異なるウェル１４’内に導入される場合もあるし、同じ試料分子Ａが、ウェル１４’のそれぞれに導入される場合もある。試料分子Ａは、重力、マイクロキャピラリー力、及び／又は化学力に起因してＳＥＲＳ信号増幅構造体１８の表面上に沈殿し得る。１つの例では、試料分子Ａを含有する液体がウェル（複数の場合もある）１４’内に導入され、次いで、ウェル（複数の場合もある）１４’は、その後、乾燥される。マイクロキャピラリー力に少なくとも部分的に起因して、隣接するＳＥＲＳ信号増幅構造体１８は、互いに引き寄せ合い、試料分子Ａは、ＳＥＲＳ信号増幅構造体１８の先端に又はそれらの近くに捕捉され得る。これは、図５に示されている。 A fluid (ie, liquid (eg, water, ethanol, etc.) or gas (eg, air, nitrogen, argon, etc.) containing sample molecule A or functioning as a carrier for sample molecule A may be in a plurality of wells. As described above, different sample molecules A may be introduced into one or more different wells 14 ′, or the same sample molecule A may be introduced into each of the wells 14 ′. The sample molecule A may precipitate on the surface of the SERS signal amplification structure 18 due to gravity, microcapillary force, and / or chemical force.In one example, the sample molecule A Is introduced into the well (s) 14 ', and then the well (s) 14' is then dried.At least partially to the microcapillary force Due to the adjacent SERS signal amplification structure 18 attracting each other, the sample molecule A can be captured at or near the tip of the SERS signal amplification structure 18. This is shown in FIG. Yes.

次に、レーザー源３２が稼動して、分子検知デバイス１０’に向けて光Ｌを放出する。ウェル１４’のアレイ全体（及び当該ウェル内の構造体１８）が同じ時点で暴露される場合もあるし、１つ又は複数の個々のウェル１４’が特定の時点で暴露される場合もあることが理解されるべきである。したがって、同時の検知又は並行した検知が実行され得る。分子検知デバイス１０’のＳＥＲＳ信号増幅構造体１８に又はそれらの近くに凝縮している試料分子Ａは、光／電磁放射Ｌと相互作用してこの光／電磁放射を散乱する（散乱した光／電磁放射には符号Ｒが付されていることに留意されたい）。試料分子ＡとＳＥＲＳ信号増幅構造体１８のＳＥＲＳ信号増強材料２０との間の相互作用によって、ラマン散乱放射Ｒの強度が増加する。ラマン散乱放射Ｒは、光検出器３４に向けて方向転換される。この光検出器は、任意の反射成分及び／又はレイリー成分を光学的にフィルタリング除去し、次いで、入射波長の近くの波長ごとのラマン散乱放射Ｒの強度を検出し得る。 Next, the laser source 32 is activated and emits light L toward the molecular detection device 10 '. The entire array of wells 14 '(and structures 18 within the wells) may be exposed at the same time, or one or more individual wells 14' may be exposed at a particular time. Should be understood. Thus, simultaneous detection or parallel detection can be performed. Sample molecules A condensed in or near the SERS signal amplification structure 18 of the molecular sensing device 10 ′ interact with the light / electromagnetic radiation L to scatter this light / electromagnetic radiation (scattered light / Note that electromagnetic radiation is labeled R). The interaction between the sample molecule A and the SERS signal enhancement material 20 of the SERS signal amplification structure 18 increases the intensity of the Raman scattered radiation R. The Raman scattered radiation R is redirected towards the photodetector 34. The photodetector can optically filter out any reflected and / or Rayleigh components and then detect the intensity of the Raman scattered radiation R for each wavelength near the incident wavelength.

システム１００は、分子検知デバイス１０’と光検出器３４との間に配置された光フィルタリング素子３８を備え得る。この光フィルタリング素子３８は、任意のレイリー成分、及び／又は所望の領域にないラマン散乱放射Ｒのうちの任意のものを光学的にフィルタリング除去するのに用いられ得る。システム１００は、分子検知デバイス１０’と光検出器３４との間に配置された光分散素子４０も備え得る。この光分散素子４０は、ラマン散乱放射Ｒを種々の角度に分散させ得る。素子３８及び４０は、同じデバイスの一部の場合もあるし、別々のデバイスの場合もある。 The system 100 can include an optical filtering element 38 disposed between the molecular sensing device 10 ′ and the photodetector 34. This optical filtering element 38 can be used to optically filter out any Rayleigh component and / or any of the Raman scattered radiation R that is not in the desired region. The system 100 may also include a light dispersion element 40 disposed between the molecular sensing device 10 ′ and the photodetector 34. The light dispersing element 40 can disperse the Raman scattered radiation R at various angles. Elements 38 and 40 may be part of the same device or may be separate devices.

プロセッサ３６は、レーザー源３２及び光検出器３４の双方に作動接続されて、これらの構成要素３２、３４の双方を制御し得る。プロセッサ３６は、光検出器３４から読み取り値も受信して、ラマンスペクトル読み出し情報を生成し得る。この読み出し情報のピーク及び谷は、その後、試料分子Ａを解析するのに利用される。 The processor 36 may be operatively connected to both the laser source 32 and the photodetector 34 to control both of these components 32, 34. The processor 36 may also receive readings from the photodetector 34 to generate Raman spectrum readout information. The peak and valley of this readout information are then used to analyze the sample molecule A.

本明細書において提供した範囲は、明記した範囲及び当該明記した範囲内の任意の値又は部分範囲を含むことが理解されるべきである。例えば、約０．１ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲は、約０．１ｎｍ〜約１００ｎｍの明示的に列挙した境界を含むだけでなく、０．２ｎｍ、０．７ｎｍ、１５ｎｍ等の個々の値、及び約０．５ｎｍ〜約５０ｎｍ、約２０ｎｍ〜約４０ｎｍ等の部分範囲も含むものと解釈されるべきである。さらに、「約」が、値を記載するのに利用されるとき、これは、明記した値から僅かな変化（＋／−１０％まで）を包含することを意図している。 It is to be understood that the ranges provided herein include the specified range and any value or subrange within the specified range. For example, the range of about 0.1 nm to about 100 nm not only includes explicitly listed boundaries from about 0.1 nm to about 100 nm, but also individual values such as 0.2 nm, 0.7 nm, 15 nm, and the like, and It should be construed to include subranges such as 0.5 nm to about 50 nm, about 20 nm to about 40 nm, and the like. Furthermore, when “about” is used to describe a value, it is intended to encompass slight variations (up to +/− 10%) from the stated value.

幾つかの例が詳細に説明されてきたが、開示した例は変更され得ることが、当業者には明らかであろう。したがって、上記説明は限定的なものでないとみなされるべきである。 Although several examples have been described in detail, it will be apparent to those skilled in the art that the disclosed examples can be modified. Accordingly, the above description should not be construed as limiting.

Claims

A molecular sensing device,
A substrate,
i) formed in a material disposed on the surface of the substrate; or ii) a well formed on the surface of the substrate;
A signal amplification structure disposed in the well;
An immersion fluid deposited in the well and surrounding the signal amplification structure;
A molecular detection device comprising:

The molecular detection device according to claim 1, wherein the immersion fluid includes an inert gas, a liquid, or a liquid and a functional chemical species dissolved in the liquid.

The molecular sensing device of claim 1, further comprising a removable cover that seals the immersion fluid in the well when in a closed position.

i) formed in the material disposed on the surface of the substrate, or ii) an array of individual wells formed on the surface of the substrate;
A respective signal amplification structure in each of said individual wells;
The molecular detection device according to claim 1, comprising:

The immersion fluid is the same in each of the individual wells, or the immersion fluid is different in each of the individual wells, or some of the individual wells have the immersion fluid. 5. The molecular sensing device of claim 4, wherein some other of the individual wells have one or more other immersion fluids different from the immersion fluid.

5. The molecular sensing device of claim 4, further comprising a septum that fluidically separates at least two of the individual wells in the array.

The molecular sensing device of claim 4, wherein at least two of the respective signal amplification structures are functionalized to accept different chemical species.

5. A molecular sensing device according to claim 4, wherein the respective signal amplification structures are the same in each of the individual wells.

The molecular detection device according to claim 1, wherein the signal amplification structure is a Raman spectral enhancement structure.

The method of using a molecular sensing device according to claim 1, wherein the immersion fluid in the well is sealed by attaching a removable cover to the material on the surface of the substrate or to the surface of the substrate. The method of using the molecular detection device of Claim 1 containing this.

A surface enhanced Raman spectroscopy system comprising:
A molecular detection device according to claim 1;
A solution containing a chemical species introduced into the well of the molecular sensing device;
A laser source that emits light in a wavelength or spectrum of wavelengths toward the well of the molecular sensing device;
A photodetector that detects light scattered after the light from the laser source interacts with the chemical species in the well and outputs a signal in response to detecting the scattered light;
An optical filtering element disposed between the molecular sensing device and the photodetector;
A light dispersion element disposed between the molecular sensing device and the photodetector;
A surface enhanced Raman spectroscopy system comprising:

A method for producing a molecular sensing device, comprising:
i) forming a well in a material disposed on the surface of the substrate; or ii) forming a well in the surface of the substrate;
Forming a signal amplification structure in the well;
Introducing the immersion fluid into the well such that the signal amplification structure is surrounded by the immersion fluid;
A method for making a molecular sensing device.

Forming the well and forming the signal amplification structure are performed simultaneously, and the step of forming the well and the signal amplification structure includes:
Pressing a mold into a resist material disposed on the substrate, the mold having a pattern forming the well and the signal amplification structure in the well;
Curing the resist material at least partially while the mold is pressed into the resist material;
Removing the mold;
Depositing a signal enhancement material on at least the surface of the base of the signal amplification structure;
The method of claim 12, achieved by:

13. The method of claim 12, further comprising selecting the immersion fluid to include a predetermined functional ligand that is selective for a predetermined chemical species prior to introducing the immersion fluid.

13. The method of claim 12, further comprising sealing the immersion fluid to the well by attaching a removable cover to the material on the surface of the substrate or the surface of the substrate.